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! F+ o* k; c! S( x" J! D, W( a! [
以太坊旨在成为全球账本,需要可扩展性和韧性。本文聚焦协议简单性的重要性,提出通过简化共识层(3-slot 最终性、STARK 聚合)和执行层(替换 EVM 为 RISC-V
; e" E: X1 P' _; D
1 z v3 h2 h7 P8 u4 a, e或类似虚拟机)大幅降低复杂性,减少开发成本、错误风险和攻击面。建议通过向后兼容策略(如链上 EVM 解释器)平滑过渡,并统一纠删码、序列化格式(SSZ)和树结
! ~. a! t4 P5 r8 G/ n% I" i* T ?% Y! E% J* Y
构以进一步简化。目标是让以太坊共识关键代码接近比特币的简单性,提升韧性和参与度,需文化上重视简单性并设定最大代码行数目标。
# m2 f/ `$ D4 E& c8 w7 x4 I2 w# S, \& u$ b
以太坊的目标是成为全球账本:存储人类文明资产与记录的平台,服务于金融、治理、高价值数据认证等领域。这需要两方面的支持:可扩展性与韧性。Fusaka 硬分叉2 [2 K m/ G8 q# E6 T. b
( Q" j8 F6 z6 f; u6 j, |5 w计划将 L2 数据的可用空间增加 10 倍,而当前提议的 2026 年路线图也计划为 L1 层带来类似的大幅提升。与此同时,以太坊已完成向权益证明(PoS)的过渡,客户端多样
j% r5 n" i! E' R# h2 L# h3 \6 o+ w. I- C$ W
性迅速提升,零知识(ZK)验证、量子抗性研究也在稳步推进,应用生态日益稳健。
& U" r e [2 M; `9 b: W- O4 n- H# z# }4 E7 W3 {
本文旨在聚焦一个同样重要却易被低估的韧性(乃至可扩展性)要素:协议的简单性。
+ @+ }- u% E6 {# x
6 }8 P s9 g! x. o% P 比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:' C* h; y* a0 Q1 `
# `2 K3 T: m+ A3 t" f' e4 j( _
7 E# B. L7 Q$ r; r8 G( d" q
1. 存在一条由区块组成的链,每个区块通过哈希与前一区块相连。
, r/ t( ]. O; q0 i n3 X+ l3 z, i
3 Z2 b% r! Z1 \5 E. U 2. 区块的有效性通过工作量证明(PoW)验证,即检查哈希值的前几位是否为零。1 T" ]* V2 ~& Z* C/ d$ E3 N& j+ e8 g
& |" j/ {; e8 |4 o' ] 3. 每个区块包含交易,交易花费的币要么来自挖矿奖励,要么来自之前的交易输出。: J. b' P; D2 U8 V8 T& v( g8 h, C
+ l0 \: x' e O8 W# X* ]
仅此而已!即便是一个聪明的高中生也能完全理解比特币协议的运作,而一个程序员甚至可以将其作为业余项目编写一个客户端。
0 R/ _: n* F" U6 b& a0 v( R
* B7 A& y' _% `$ d/ n( A) r' A- @ 协议的简单性为比特币(以及以太坊)成为可信、中立的全球基础层带来了诸多关键优势:
' O5 f( ]/ R' r! y% i, S: P1 S1 E1 `( ~" Z) O
1. 易于理解:降低协议的复杂性,让更多人能够参与协议研究、开发和治理,减少技术精英阶层主导的风险。
" M) X6 R7 `! K8 |" k5 \" Q3 _6 i3 z( Z
2. 降低开发成本:简化协议大幅降低创建新基础设施(如新客户端、证明器、开发者工具等)的成本。 J: m, F& f, D5 W* L
4 I# _3 O1 Q2 U* |$ h
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。% `+ ~ K/ F7 S9 F
( U1 n, {8 _7 L# A" D3 a 4. 减少错误风险:降低协议规范及实现中发生灾难性错误的可能性,同时便于验证不存在此类错误。& r6 N& G. X9 X# n- |& L+ H0 L
/ A5 m* ?, f( l, Q6 k9 y 5. 缩小攻击面:减少协议的复杂组件,降低被特殊利益集团攻击的风险。) V/ _1 [+ g8 o' d( r" p
- h$ v n. z3 E1 q/ j% O( `' ? 历史上,以太坊(有时因我个人的决策)常常未能保持简单,导致开发成本过高、安全风险增加以及研发文化的封闭性,而这些复杂性追求的收益往往被证明是虚幻的。
; c. l* l) Z! v1 B# _
) U' M1 a0 T& ^8 s' D8 p本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
' U7 S/ E( W) N3 y, d8 G2 [7 {( U; ^' `; p) Q
简化共识层
, E- k- v, S9 v3 B4 m, ` Z$ G+ x# Y5 D$ i! G4 K, P
3 }8 p) b2 y1 }, @
0 |( h. Y9 q d, \4 x' z 新的共识层设计(历史上称为 “信标链”)旨在利用过去十年在共识理论、ZK-SNARK 开发、质押经济等领域的经验,构建一个长期最优且更简单的共识层。 B& v6 `* t' g# }
3 ?9 A" Z s1 O, Z+ _相比现有信标链,新设计显著简化:. p, l, Y% _! N* Q, S
3 J* i6 I9 O, H( ]. U
1. 3-slot 最终性设计:移除槽(slot)、周期(epoch)、委员会重组等概念,以及相关的高效处理机制(如同步委员会)。 3-slot 最终性的基本实现仅需
$ X+ I0 O* b8 W4 F- s7 I7 s: j0 j; b, X6 Z3 t/ J& S: d; k3 {
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。% b4 i) ]0 G+ _( r5 S' Y0 {' Y+ d
$ V7 t. s5 P+ l( U* E
2. 减少活跃验证者数量:允许使用更简单的分叉选择规则实现,增强安全性。 S" n0 C, O' J' X
1 g5 g3 x4 \3 ` 3. 基于 STARK 的聚合协议:任何人都可成为聚合者,无需信任聚合者或为重复位域支付高昂费用。聚合密码学的复杂性较高,但其复杂性被高度封装,- I, ~: c+ v, p, D
% H z2 ~( |+ R8 U6 P+ I( l) P
系统性风险较低。
7 ~2 G+ ?' N6 C5 ^# J0 ]: G1 ?6 g. k3 z7 q0 L. a; Y
4. 简化 P2P 架构:上述因素可能支持更简单、更稳健的点对点网络架构。' D/ l# N1 n0 f! O0 H: Z
8 Y! O+ w4 k6 j# @1 b 5. 重新设计验证者机制:包括进入、退出、提款、密钥转换、 inactivity leak 等机制,简化代码行数并提供更清晰的保证(如弱主观性周期)。
, t6 X2 r8 P# n3 k
* r# s6 ?7 K$ h& ]3 X$ V- }2 {& u 共识层的优势在于其与 EVM 执行层相对独立,因此有较大空间持续改进。更大的挑战在于如何在执行层实现类似简化。
7 c8 G6 ]1 O* |( S5 @; q& `7 A+ n- b
简化执行层9 C" K8 \& u- X* Q) l. z4 q" g
2 o5 d0 d/ F6 N EVM 的复杂性日益增加,且许多复杂性被证明无必要(部分因我个人决策失误):256 位虚拟机过度优化了如今已逐渐过时的特定密码学形式,预编译* n8 c, K. |; H8 \7 v
+ ]# n/ [8 P. \- T( L- t# l* U, J(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。* |- G- a, t9 x; z1 I) f
- _# D, f. ]* |' H0 k2 q4 I4 h _# z" Y
逐一解决这些问题效果有限。例如,移除 SELFDESTRUCT 操作码耗费巨大努力,却仅带来较小收益。近期关于 EOF(EVM Object Format)的争论也显
3 b1 H: H0 d; y& u8 `# @. m0 g
* L0 B+ V8 r! a. |! Y" r- K6 f: |示出类似挑战。0 e8 G( W p& [0 `! z4 q
W- Y! G3 W) T, H+ c5 O 我最近提出一个更激进的方案:与其对 EVM 进行中等规模(但仍具破坏性)的更改以换取 1.5 倍的收益,不如向一个更优、更简单的虚拟机过渡,以
7 r$ A7 a9 K: L( b& k4 h
# D. Y( Z* |% D2 \1 K1 }. @, b8 {实现 100 倍的收益。类似于 “合并”(The Merge),我们减少破坏性变更的次数,但使每次变更更具意义。具体而言,我建议将 EVM 替换为 RISC-V,或
: [! D9 Y+ e. a4 b4 X8 j! Q7 |% O3 Q
6 L* C" z8 b- |2 e* ^以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:
* d6 K# S: R7 I. ]' s+ V' `
/ Q" S0 k" m. t* F+ W4 o 1. 效率大幅提升:智能合约执行(在证明器中)无需解释器开销,直接运行。Succinct 的数据显示在许多场景下性能可提升 100 倍以上。
0 _( t: `$ R, l) @5 Z: |0 N
. U# E( [4 C8 i3 | 2. 简单性大幅改进:RISC-V 规范相比 EVM 极其简单,替代方案(如 Cairo)同样简洁。( C- N' Y% x2 w ]! `
* P5 p* c0 D7 w9 G
3. 支持 EOF 的动机:如代码分区、更友好的静态分析、更大代码大小限制等。- o6 i$ }# T" ]7 X6 x
- ^; A! u! d9 G" Y" d
4. 更多开发者选择:Solidity 和 Vyper 可添加后端以编译到新虚拟机。若选择 RISC-V,主流语言开发者也能轻松将代码移植到该虚拟机。- K9 C5 S4 K# W2 j+ ?5 a
) ?) y. G+ r4 |$ [ k, `
5. 移除大部分预编译:可能仅保留高度优化的椭圆曲线操作(量子计算机普及后连这些也将消失)。' i% ~3 _' s7 C
, G+ E% X- u) Y
主要缺点是,与已准备就绪的 EOF 不同,新虚拟机的收益需较长时间惠及开发者。我们可通过短期实施高价值的 EVM 改进(如增加合约代码大小限制、
, M# Y: T. ^' c4 j" O. B" v* o9 H9 p; @0 N8 d& R/ s3 D
支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。* U+ w$ y5 h1 A. f
3 ]2 W, P# Q* y 这将带来更简单的虚拟机。核心挑战在于:如何处理现有的 EVM?
( `' `7 J8 H# q+ ?" m; D
/ U* x% @4 g$ _/ x* X9 t6 D! q! W 虚拟机过渡的向后兼容策略
$ ^$ I% B0 [, o! ]) h5 T2 X2 m ~ B8 L) y/ X/ U
简化(或在不增加复杂性的前提下改进)EVM 的最大挑战在于如何平衡目标实现与现有应用的向后兼容性。
2 l1 c9 j5 c# ^ _) g- @7 T" I3 y
4 l' J/ T8 \% h0 ?( l( T 首先需要明确:以太坊代码库(即使在单一客户端内)并非只有一种定义方式。" |: b- W8 S0 ~" c" d
- E4 b6 x. J! D% S+ R
! O a8 K+ ~9 r# t" V
目标是尽量缩小绿色区域:节点参与以太坊共识所需的逻辑,包括计算当前状态、证明、验证、FOCIL(分叉选择规则)及 “普通” 区块构建。
" |/ b; b P4 O! z2 V# C3 }5 \! L/ l& w3 B. v8 v! G8 d9 w; o
橙色区域无法减少:若协议规范移除或更改某执行层功能(如虚拟机、预编译等),处理历史区块的客户端仍需保留相关代码。但新客户端、ZK-EVM 或$ |) Z) c1 M Z0 U/ x8 R+ S6 t. |2 ^3 i
8 \, u+ M, L q* T9 S
形式化证明器可完全忽略橙色区域。) Q- a8 ~6 w0 V4 c( s4 {
: }3 I9 P/ G$ R3 I `5 q, l! Y. \
新增的HS区域:对理解当前链或优化区块构建非常有价值,但不属于共识逻辑。例如,Etherscan 及部分区块构建者支持 ERC-4337 用户操作。若我们( {# @; p* r' N# J. W: W
5 R' B- \9 x1 y用链上 RISC-V 实现替换某些以太坊功能(如 EOA 及其支持的旧交易类型),共识代码将显著简化,但专用节点可能继续使用原有代码进行解析。
: F& U2 `$ V3 x1 R' Q7 x3 t+ n# e6 e- \3 o! q
橙色和HS区域的复杂性是封装复杂性,理解协议的人可跳过这些部分,以太坊实现可忽略它们,这些区域的错误不会引发共识风险。因此,橙色和HS区9 H6 a( {+ N; E* F2 N- ^
! k1 H: c! a4 M域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。8 r0 Q& s0 j2 @- f1 l) q, [' C
& h. D6 {5 \7 w- B% a& d8 @ 将代码从绿色区域移至HS区域的思路,类似于苹果通过 Rosetta 翻译层确保长期向后兼容的策略。
8 c$ p. ^2 z0 q: a' ?9 C1 z% k s, N: L* R" r; \
1. 要求新预编译提供链上 RISC-V 实现:让生态系统逐步适应 RISC-V 虚拟机。
% x1 E1 ?- l% ^% e" Y
2 \5 _% K7 \9 Q8 i& x 2. 引入 RISC-V 作为开发者选项:协议同时支持 RISC-V 和 EVM,两种虚拟机的合约可自由交互。
3 B# G3 P* L7 K4 M
; ~) k3 l9 y3 s( g0 ^ 3. 替换大部分预编译:除椭圆曲线操作和 KECCAK(因需极致速度)外,用 RISC-V 实现替换其他预编译。通过硬分叉移除预编译,同时将该地址的代码5 k( h( |6 j# p! b
* C" B! p( X. v ^
(类似 DAO 分叉)从空更改为 RISC-V 实现。RISC-V 虚拟机极其简单,即使在此止步也净简化协议。
$ T6 Z% ~0 {# k. |8 x
! X9 @) A+ P2 R. z) C 4. 在 RISC-V 中实现 EVM 解释器:作为智能合约上链(因 ZK 证明器需要已进行)。在初始发布数年后,现有 EVM 合约通过该解释器运行。# a& b8 k0 \# j, @# Z* `
* T3 `) |; B1 F$ p6 E/ |( Y; C
- F/ F7 g7 V( c4 H5 m! y 完成第 4 步后,许多 “EVM 实现” 仍将用于优化区块构建、开发者工具和链分析,但不再是关键共识规范的一部分。以太坊共识将 “原生地” 仅理解 RISC-V。% |2 E A! z/ R8 T' Y# f! j) L
! i$ k* u g8 a 通过共享协议组件简化1 T3 N, q" p. v. U) ^! n
% N) o8 f& p# V! Z* Y( _
降低协议总复杂度的第三种方式(也最易被低估)是尽可能在协议栈的不同部分共享统一标准。不同协议在不同场景下做相同的事情通常毫无益处,但这种3 a" D8 _2 H$ O
& q' V' j* T) S$ u$ h. ^' I8 S1 f
模式仍常出现,主要是因为协议路线图的不同部分缺乏沟通。以下是几个通过共享组件简化以太坊的具体示例。4 H- X$ w* T& g) Q9 b2 B$ t% J, ^3 ^
: m9 o% g: B+ T+ e4 C
统一纠删码2 |& J# O0 {: L g& I
9 M; W. |$ d" s6 `8 N2 z
( t/ b9 ?& Y) o1 Z2 D# y y
我们在三个场景中需要纠删码:
# v" _8 ]0 [0 u8 d2 R9 [7 b l: t/ x1 ]. D. U( i
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。! Z& z" G" c5 [1 S- N5 `
+ l# `/ o0 O$ W: z& d0 U; q
2. 更快的 P2P 广播:节点接收 n/2 个片段后即可接受区块,在延迟与冗余间取得平衡。
7 {5 C5 N6 c' z# C: Y+ S& d y/ D2 ~
3. 分布式历史存储:以太坊历史数据分片存储,每组 n/2 个片段可恢复其余片段,降低单一片段丢失风险。
" p& H# o4 Y1 {/ G- L
; ]' v; D0 K# {; }$ W6 H' M 若在三种场景中使用同一纠删码(无论是 Reed-Solomon、随机线性码等),将获得以下优势:
l( E8 y" Q# m1 k0 y+ Z8 ^' |
1 |6 ^9 @- _& t, ]% A1 z& ?' ?7 m/ ^ 1. 最小化代码量:减少总代码行数。' O0 B1 n; n+ u% e3 |7 q
- f1 t6 e$ g; x% Z5 L' Q( K3 u
2. 提高效率:若节点为某场景下载部分片段,这些数据可用于其他场景。
% |% x' \* u+ v) }! [! [* ?
. V3 g8 `& R# d3 n3 w7 y% P 3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。 R- Q% |. D# z9 }
1 y; z. {3 |$ c
若使用不同纠删码,至少应确保兼容性,例如数据可用性采样的水平 Reed-Solomon 码与垂直随机线性码在同一域操作。* [ T! e2 y/ |0 M; O- w
+ v$ o: U+ t. w( j0 y
统一序列化格式
4 {2 L- v4 u" H, @% T* |5 c0 o
) X3 ^; ^3 B; Y! a' x: [/ H% z& ]
3 S0 S6 n. i$ I 以太坊的序列化格式目前仅部分固化,因数据可按任意格式重新序列化和广播。例外是交易签名哈希,需规范格式进行哈希。未来,序列化格式的固化程
2 n, F- F/ n' A' H4 h5 V) H* L% z( c' X& b
度将因以下原因进一步提高:
/ A/ a* V9 i7 a3 S; A8 O
- X7 B8 X3 H5 U% L" V' j1 ] 1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。
0 i, C2 q$ @& F' K; J; r8 T& E
. P: e* F' n, w, Z' q 2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。( ~9 @( q* p) b, h% C$ y _/ M
; o& Q" R$ w; V# b/ f
届时,我们有机会统一以太坊三个层级的序列化格式:执行层、共识层、智能合约调用 ABI。
9 W, ~% Z0 Y7 S* R$ |( [7 i7 }! v$ V
& w0 I7 b" t$ K3 T 我提议使用 SSZ,因为 SSZ:
* F* e- ]6 h5 i/ k( v# D. M. u6 k
/ Q- H/ {. \# ]4 _9 F 1. 易于解码:包括在智能合约内(因其基于 4 字节的设计和较少的边缘情况)。
H* g2 F. o/ H- z7 _8 k
% t4 c. T; z7 A( W( P: z 2. 已在共识层广泛使用。
( |" L7 f( }; H# H' r# @$ ~
3 k3 j- o- @3 w 3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。# ~* X* J1 f5 c/ Q5 m
8 A9 _7 l- Y: l/ [3 ^/ m6 x
已有向 SSZ 全面迁移的努力,我们应在规划未来升级时考虑并延续这些努力。
: C$ B+ T, R$ W6 @- u
) @8 Z7 \; T. W& m6 d 统一树结构7 Z9 B) m d" K( l0 G# ~
: y* m6 \6 N7 G" _# S9 F; ~1 M
# {2 o2 D: n( Y% ]
若从 EVM 迁移到 RISC-V(或其他可选的最小虚拟机),十六进制 Merkle Patricia 树将成为证明区块执行的最大瓶颈,即使在平均情况下也是如此。迁移* ~9 D6 d$ v4 {9 D D, s
1 X- X s. x$ J, H! Z: i$ O
到基于更优哈希函数的二叉树将显著提升证明器效率,同时降低轻客户端等场景的数据成本。/ d7 o) c m7 J7 l$ z
- @5 {; G* @% `3 c, o3 \6 w; `
迁移时,应确保共识层使用相同的树结构。这将使以太坊的共识层与执行层可通过相同代码访问和解析。4 ^0 \; e; U. }
% z& P, j- J4 A W2 j1 A2 y0 G
从现在到未来! G. y8 y" u2 E; {7 g
, o# s1 f1 t' s$ K. o' o
简单性在许多方面类似于去中心化,二者均为韧性目标的上游。明确重视简单性需要一定的文化转变。其收益往往难以量化,而额外努力和放弃某些耀眼功
1 X0 ?- W' T2 y! @6 Y, u$ k
! }0 A9 h ?$ L1 p7 U% J' ]5 f能的成本却立竿见影。然而,随着时间推移,收益将愈发显著 — — 比特币本身就是绝佳例证。; W6 z) n2 j! e6 \0 Y$ q& E' {
: T C; A" `. Y7 Q9 B: H 我提议效仿 tinygrad,为以太坊长期规范设定明确的最大代码行数目标,使以太坊共识关键代码接近比特币的简单性。处理以太坊历史规则的代码将继续存
1 [1 W1 g1 j, W3 Q U: M% Q1 x g2 N4 @# S
在,但应置于共识关键路径之外。同时,我们应秉持选择更简单方案的理念,优先选择封装复杂性而非系统性复杂性,并做出提供清晰属性和保证的设计选择。3 [; [ K/ X e- d) w+ ^
& K ~: ~6 o6 u8 r( i3 B q: b
' x1 E. u e4 g; G- h! ^6 a! Z0 ^) [; m$ Z) p2 a& F
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